CN104579643A - 一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统，将两个独立激光器和测量装置Charlie都放置在同一个节点上，即均放置在Alice端或Bob端，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统。本发明采用两节点结构，并利用法拉第共轭旋转效应和设计相同的传输路径，有效地解决了目前三节点测量设备无关量子密钥分发系统因偏振变化、相位漂移、相位参考系不统一、时间抖动等因素造成稳定性差的问题，实现了偏振自补偿、相位漂移自补偿、相位参考系无需校准、同步易于实现的目的，为测量设备无关量子密钥分发系统的实际应用提供了重要依据。

Description

一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统

技术领域

本发明涉及通信领域中量子密钥分发领域，具体地是涉及一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统。

背景技术

测量设备无关量子密钥分发系统是目前公认的具有较高安全度、广阔应用前景的量子密钥分发系统。特别是其具有的较高安全性，是其他量子密钥分发系统无法比拟的。按照编码方式的不同，测量设备无关量子密钥分发系统分成偏振编码和相位编码两大类。最初的测量设备无关量子密钥分发系统采用偏振编码，但由于光纤双折射和时间抖动的影响，脉冲偏振态随机变化影响贝尔态响应结果，造成系统稳定性差、安全密钥率低、误码率高。随后出现了采用相位编码的测量设备无关量子密钥分发系统，该系统虽然克服了偏振态随机变化对贝尔态响应的影响，但由于两个独立的激光器产生的脉冲初始相位不同，同时从Alice传输到Charlie的脉冲和从Bob传输到Charlie的脉冲相位漂移不同，时间抖动也不同。初始相位、相位漂移、时间抖动都影响贝尔态响应结果，同样导致系统稳定性差、安全密钥率较低。

最新报道的测量设备无关量子密钥分发系统采用相位编码，通过引入频谱稳定系统稳定频谱，引入相位稳定系统校准相位参考系，引入偏振稳定系统校正偏振变化，引入时间校准系统实现信号同步。虽然引入四大主动补偿系统使得安全密钥率达到16bps，与以往的测量设备无关量子密钥分发系统相比安全密钥率提高了两个数量级，但该系统仍存在相位漂移无法补偿、系统庞大复杂等问题。

综上所述，现有的测量设备无关量子密钥分发系统存在偏振变化、相位漂移、相位参考系不统一、同步实现困难等影响系统稳定性、安全密钥率的问题。分析现有的测量设备无关量子密钥分发系统结构特点，可以发现造成系统稳定性差、安全密钥率低的根本原因在于现有的测量设备无关量子密钥分发系统都采用三方通信的方式，即三节点测量设备无关量子密钥分发系统。

图1为三节点测量设备无关量子密钥分发系统模型，分析可知三节点测量设备无关量子密钥分发系统具有以下几个特点：

1、系统为单向传输，两个性能相近的独立激光器分别放置在Alice端、Bob端，Alice端产生的脉冲与Bob端产生的脉冲干涉。

2、系统采用相位编码或偏振编码，Alice、Bob分别对各自脉冲随机加载相位或调制偏振态，用相位或偏振态表征信息。

3、由于双折射的影响，从Alice传输到Charlie的脉冲和从Bob传输到Charlie的脉冲都会发生偏振变化，需要补偿偏振变化。

4、由于光源和路径不同，从Alice传输到Charlie的脉冲和从Bob传输到Charlie的脉冲初始相位不同，相位漂移也不同，需要校准相位参考系、补偿相位漂移。

5、从Alice传输到Charlie的脉冲和从Bob传输到Charlie的脉冲时间抖动不同，较难实现时间同步。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统，能够有效地克服三节点测量所存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统，将两个独立激光器和测量装置Charlie都放置在同一个节点上，即将两个独立激光器和测量装置Charlie均放置在Alice端或Bob端，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统。

本发明的测量设备无关量子密钥分发系统是双向传输的，通过将两个性能相近的脉冲激光器放置在同一节点上，两个激光器产生的前后脉冲干涉。相同偏振态的前后脉冲经历相同环境、相同路径后，两者的偏振变化相同、相位漂移相同、时间抖动相同，可以实现相位漂移自补偿和时间同步。同时，由于系统双向传输，若在Bob端(Alice端)使用法拉第反射旋转镜，则可对往返Alice和Bob之间的前后脉冲实现偏振自补偿，即两节点测量设备无关量子密钥分发系统具有偏振自补偿、相位自补偿、时间同步易于实现的优势，可以提高系统稳定性。

优选的，两节点测量设备无关量子密钥分发系统包括Alice、Bob、Charlie三部分，其中Alice主要产生相同偏振态的前后脉冲并对脉冲的某一分量进行相位随机编码、频率调制；Bob主要对脉冲的另一分量进行相位随机编码、频率调制；Charlie主要使前后脉冲发生干涉，记录测量结果并将测量结果通过公共信道分别传输给Alice和Bob。

优选的，所述两节点测量设备无关量子密钥分发系统采用相位调制偏振编码，Alice端相位调制器对脉冲一个分量随机加载相位，Bob端相位调制器对脉冲另一个分量随机加载相位，其中脉冲分量包括水平分量和垂直分量；用水平分量和垂直分量的相位差调制不同偏振态信号光以实现编码。

脉冲的水平分量和垂直分量经历相同环境、相同路径，两者的相位漂移相同，脉冲间隔固定，实现了相位漂移自补偿，消除了时间抖动的影响。采用相位调制偏振编码，调制脉冲的偏振态由水平分量和垂直分量的相位差决定，与脉冲的初始相位无关，不需要校准相位参考系，即采用相位调制偏振编码的两节点测量设备无关量子密钥分发系统具有偏振自补偿、相位自补偿、相位参考系无需校准、时间同步易于实现的四大优势，可以提高系统稳定性。

优选的，相位调制器对脉冲分量随机加载0、v₀、的电压，v₀为相位调制器半波电压。

优选的，Alice端包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、时钟与时延发生器、第一光隔离器、第二光隔离器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第一分束器、第二分束器、四端口偏振分束器、第一偏振无关相位调制器、第二偏振无关相位调制器、第三偏振无关相位调制器、第一法拉第反射旋转镜、第二法拉第反射旋转镜、第五法拉第反射旋转镜、第六法拉第反射旋转镜、第一偏振无关环形器、滤波器、第二随机码发生器和第二驱动电路。

第一脉冲激光器、第二脉冲激光器分别通过第一光隔离器、第一偏振控制器，第二光隔离器、第二偏振控制器接入第一分束器的端口1、2，第一分束器的端口3与第二分束器的端口1连接，第二分束器的端口2通过第一偏振无关相位调制器与第一偏振无关环形器端口1连接，第二分束器的端口3接第一法拉第反射旋转镜，第二分束器的端口4接第二法拉第反射旋转镜，第一偏振无关环形器端口2通过第三偏振控制器接四端口偏振分束器的端口1，四端口偏振分束器的端口4接第五法拉第反射旋转镜，四端口偏振分束器的端口3通过长程光纤接Bob端，第一偏振无关环形器端口3通过第四偏振控制器接过滤器，过滤器接Charlie端；四端口偏振分束器的端口2通过串接的第二偏振无关相位调制器、第三偏振无关相位调制器接第六法拉第反射旋转镜；时钟与时延发生器分时驱动第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、第二随机码发生器和第二驱动电路工作，第二随机码发生器和第二驱动电路分别驱动第二偏振无关相位调制器、第三偏振无关相位调制器工作；

Bob端包括第四分束器、第四偏振无关相位调制器、第五偏振无关相位调制器、强度调制器、第七法拉第反射旋转镜、第一随机码发生器、第一驱动电路、延迟环、雪崩光电二极管和时钟恢复电路；

第四分束器的端口1通过长程光纤接四端口偏振分束器的端口3，第四分束器的端口3通过延迟环接强度调制器，强度调制器通过串接第四偏振无关相位调制器、第五偏振无关相位调制器接第七法拉第反射旋转镜，第四分束器的端口4接雪崩光电二极管；雪崩光电二极管接时钟恢复电路的输入端，时钟恢复电路的输出端分别接强度调制器、第一随机码发生器和第一驱动电路；第一随机码发生器和第一驱动电路分别驱动第四偏振无关相位调制器和第五偏振无关相位调制器工作；

Charlie端包括第三分束器、第三法拉第反射旋转镜、第四法拉第反射旋转镜、第二偏振无关环形器、第一单光子探测器、第二单光子探测器；第二偏振无关环形器的端口1接过滤器，第二偏振无关环形器的端口2接第三分束器的端口1，第三分束器的端口3接第三法拉第反射旋转镜，第三分束器的端口4接第四法拉第反射旋转镜，第三分束器的端口2接第一单光子探测器，第二偏振无关环形器端口3接第二单光子探测器；

上述第一、第二、第三、第四分束器均为分光比50﹕50的四端口分束器；上述各器件的连接光纤为单模光纤或保偏光纤。

采用边带调制，Alice端相位调制器将脉冲一个分量(水平分量或垂直分量)调制到某一频率上，Bob端相位调制器将脉冲另一个分量(垂直分量或水平分量)调制到与Alice端相位调制器相同的频率上，使得信号光波长与瑞利散射光波长不同，并用滤波器滤除信号光中的瑞利散射光，减少瑞利散射光的影响，提高系统码率。

本系统采用相位调制偏振编码，Alice端相位调制器只对脉冲一个分量随机加载相位，Bob端相位调制器只对脉冲另一个分量随机加载相位，一对前后脉冲都携带Alice、Bob两位独立的编码信息，一对不同偏振态的前后脉冲可在测量装置上发生干涉产生一次贝尔态响应，这一次贝尔态响应形成两比特密钥，即一次贝尔态响应产生两比特密钥。

优选的，第一脉冲激光器通过第一光隔离器、第一偏振控制器、长度为S的光纤与第一分束器的端口1连接，第二脉冲激光器通过第二光隔离器、第二偏振控制器、长度为S+L的光纤与第一分束器的端口2连接，第一法拉第反射旋转镜通过长度为L的光纤与第二分束器的端口3连接，第二法拉第反射旋转镜通过长度为3L的光纤与第二分束器的端口4连接，并调节第一偏振控制器、第二偏振控制器分别使得第一脉冲激光器、第二脉冲激光器通过四端口偏振分束器端口3和端口4的输出光强相同，从而产生4个偏振态相同、等间距的前后脉冲。

优选的，利用独立激光器、光隔离器、法拉第反射旋转镜、偏振控制器和不同长度的光纤产生相同偏振态的前后脉冲，Alice端第二偏振无关相位调制器对前后脉冲一个分量随机加载0、v₀、的电压，Bob端第四偏振无关相位调制器对前后脉冲另一分量随机加载0、v₀、的电压，调制脉冲偏振态由水平分量和垂直分量的相位差决定，能够随机产生满足BB84协议的四种偏振态：45°线偏振、135°线偏振、左旋圆偏振和右旋圆偏振；前后脉冲在Charlie端第三分束器上干涉产生贝尔态响应；Charlie记录测量结果并将测量结果通过公共信道分别传输给Alice和Bob，Alice和Bob均保留产生贝尔态响应时刻对应的编码信息作为筛选码；对基时，Alice通过公共信道将基信息告诉Bob，Bob根据Alice基信息、自身基信息、贝尔态响应时刻三方面内容取舍和翻转自身编码，产生与Alice相同的初始密钥，之后进行采样误码窃听检测以及密钥后处理，最终形成安全密码本用作保密通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用相位调制偏振编码的两节点测量设备无关量子密钥分发系统具有偏振自补偿、相位自补偿、相位参考系无需校准、同步易于实现的显著优势，有效地提高了系统稳定性。

附图说明

图1为三节点测量设备无关量子密钥分发系统模型结构图。

图2为两节点测量设备无关量子密钥分发系统模型结构图。

图3为具有偏振自补偿、相位漂移自补偿功能的相位调制偏振编码结构图。

其中201、202为偏振无关相位调制器(PM)，203、204、205为法拉第反射旋转镜(FM)，206为四端口偏振分束器(PBS)。

图4为相位调制偏振编码结构光路分析图。

图5为两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置结构图。

其中1、2分别为性能相近的第一、第二脉冲激光器(LD)，3为时钟与时延发生器(DG535)，4、5分别为第一、第二光隔离器(ISO)，6、7、8、9分别为第一、…、第四偏振控制器(PC)，10、11、12、13分别为第一、…、第四四端口分束器(BS)，14为四端口偏振分束器(PBS)，15、16、17、18、19分别为第一、…、第五偏振无关相位调制器(PM)，20为强度调制器(AM)，21、22、23、24、25、26、27分别为第一、…、第七法拉第反射旋转镜(FM)，28、29分别为第一、第二偏振无关环形器(CIR)，30为滤波器，31、32分别为第一、第二单光子探测器(SPD)，33、34分别为第一、第二随机码发生器(RG)，35、36分别为第一、第二驱动电路，37为延迟环(DL)，38为雪崩光电二极管(APD)，39为时钟恢复电路，40为长程光纤(QC)，实线为传输线路，带箭头的虚线为同步线路。

图6为输入四端口偏振分束器14的脉冲示意图。

图7为前后脉冲在第三分束器12上发生双光子干涉示意图。

其中定义T₁₂表示第一激光器脉冲走第二分束器的端口3、第三分束器的端口4与第二激光器脉冲走第二分束器的端口3、第三分束器的端口3发生干涉所对应的时刻，T₂₃表示第一激光器脉冲走第二分束器的端口4、第三分束器的端口3与第二激光器脉冲走第二分束器的端口3、第三分束器的端口4发生干涉所对应的时刻，T₃₄表示第一激光器脉冲走第二分束器的端口4、第三分束器的端口4与第二激光器脉冲走第二分束器的端口4、第三分束器的端口3发生干涉所对应的时刻。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明的目的在于提出一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置达到系统自补偿的目的，解决现有系统稳定性差的问题。

图2为两节点测量设备无关量子密钥分发系统模型，分析可知两节点测量设备无关量子密钥分发系统具有以下几个特点：

1、系统为双向传输，两个性能相近的脉冲激光器都放置在同一节点上(图2以激光器都放置在Alice端进行演示)，两个激光器产生的前后脉冲干涉。

2、相同偏振态的前后脉冲经历相同环境、相同路径后偏振变化相同；由于系统双向传输，若在Bob端使用法拉第反射旋转镜，则可对往返Alice和Bob之间的前后脉冲实现偏振自补偿。

3、前后脉冲经历相同环境、相同路径，两者的相位漂移相同，实现了相位漂移自补偿。

4、前后脉冲经历相同环境、相同路径，两者的时间抖动相同，脉冲间隔固定，容易实现时间同步。

可见两节点测量设备无关量子密钥分发系统具有偏振自补偿、相位自补偿、时间同步易于实现的优势，可以提高系统稳定性。同时，为实现相位参考系无需校准，进一步提高系统稳定性，两节点测量设备无关量子密钥分发系统采用相位调制偏振编码。

图3为具有偏振自补偿、相位漂移自补偿功能的相位调制偏振编码结构，图4为相位调制偏振编码结构光路分析图。综合图3、图4分析可知，输入偏振分束器206的脉冲分为水平偏振光和垂直偏振光。水平偏振光和垂直偏振光都经过法拉第反射旋转镜203、204、205的反射，补偿偏振变化，实现偏振自补偿。同时，水平偏振光和垂直偏振光经历相同的传输路径，相位漂移相同，实现相位漂移自补偿，所以相位调制偏振编码结构具有良好的偏振自补偿、相位漂移自补偿功能。Alice、Bob分别对脉冲的垂直分量、水平分量随机加载相位 则输出偏振分束器206的调制脉冲偏振态由垂直分量与水平分量的相位差决定，与脉冲初始相位无关，则不需要校准相位参考系。当时，脉冲为45°线偏振光；当时，脉冲为右旋圆偏振光；当时，脉冲为135°线偏振光；当时。脉冲为左旋圆偏振光。Alice和Bob随机地对脉冲相应分量加载相位就能产生满足协议的偏振光，实现相位调制偏振编码。

综上所述，与三节点测量设备无关量子密钥分发系统相比，采用相位调制偏振编码的两节点测量设备无关量子密钥分发系统具有偏振自补偿、相位自补偿、相位参考系无需校准、同步易于实现的显著优势，有效地提高了系统稳定性。

以下结合附图对本发明装置结构、工作原理以及在量子密钥分发系统中的应用作详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

本发明将两个性能相近的独立激光器和测量装置都放置在同一个节点(Alice或Bob端)上，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统。以下以独立激光器和测量装置都放置在Alice端作为实例进行说明。

图5为两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置，该装置由Alice、Bob、Charlie三部分构成，其中Alice主要产生相同偏振态的前后脉冲并对脉冲某一分量进行相位随机编码、频率调制，Bob主要对脉冲另一分量进行相位随机编码、频率调制，Charlie主要使前后脉冲发生干涉，记录测量结果并将测量结果通过公共信道分别传输给Alice和Bob。

Alice端包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、时钟与时延发生器3、第一光隔离器4、第二光隔离器5、第一偏振控制器6、第二偏振控制器7、第三偏振控制器8、第四偏振控制器9、第一分束器10、第二分束器11、四端口偏振分束器14、第一偏振无关相位调制器15、第二偏振无关相位调制器16、第三偏振无关相位调制器17、第一法拉第反射旋转镜21、第二法拉第反射旋转镜22、第五法拉第反射旋转镜25、第六法拉第反射旋转镜26、第一偏振无关环形器28、滤波器30、第二随机码发生器34和第二驱动电路36；

第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2分别通过第一光隔离器4、第一偏振控制器6，第二光隔离器5、第二偏振控制器7接入第一分束器10的端口1、2，第一分束器10的端口3与第二分束器11的端口1连接，第二分束器11的端口2通过第一偏振无关相位调制器15与第一偏振无关环形器28的端口1连接，第二分束器11的端口3接第一法拉第反射旋转镜21，第二分束器11的端口4接第二法拉第反射旋转镜22，第一偏振无关环形器28的端口2通过第三偏振控制器8接四端口偏振分束器14的端口1，四端口偏振分束器14的端口4接第五法拉第反射旋转镜25，四端口偏振分束器14的端口3通过长程光纤40接Bob端，第一偏振无关环形器28端口3通过第四偏振控制器9接过滤器30，过滤器30接Charlie端；四端口偏振分束器14的端口2通过串接的第二偏振无关相位调制器16、第三偏振无关相位调制器17接第六法拉第反射旋转镜26；时钟与时延发生器3分时驱动第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、第二随机码发生器34和第二驱动电路36工作，第二随机码发生器34和第二驱动电路36分别驱动第二偏振无关相位调制器16、第三偏振无关相位调制器17工作；

Bob端包括第四分束器13、第四偏振无关相位调制器18、第五偏振无关相位调制器19、强度调制器20、第七法拉第反射旋转镜27、第一随机码发生器33、第一驱动电路35、延迟环37、雪崩光电二极管38和时钟恢复电路39；

第四分束器13的端口1通过长程光纤40接四端口偏振分束器14的端口3，第四分束器13的端口3通过延迟环37接强度调制器20，强度调制器20通过串接的第四偏振无关相位调制器18、第五偏振无关相位调制器19接第七法拉第反射旋转镜27，第四分束器13的端口4接雪崩光电二极管38；雪崩光电二极管38接时钟恢复电路39的输入端，时钟恢复电路39的输出端分别接强度调制器20、第一随机码发生器33和第一驱动电路35；第一随机码发生器33和第一驱动电路35分别驱动第四偏振无关相位调制器18、第五偏振无关相位调制器19工作；

Charlie端包括第三分束器12、第三法拉第反射旋转镜23、第四法拉第反射旋转镜24、第二偏振无关环形器29、第一单光子探测器31、第二单光子探测器32；第二偏振无关环形器29的端口1接过滤器30，第二偏振无关环形器29的端口2接第三分束器12的端口1，第三分束器12的端口3接第三法拉第反射旋转镜23，第三分束器12的端口4接第四法拉第反射旋转镜24，第三分束器12的端口2接第一单光子探测器31，第二偏振无关环形器29的端口3接第二单光子探测器32；

上述第一分束器10、第二分束器11、第三分束器12、第四分束器13均为分光比为50﹕50的四端口分束器；上述各器件的连接光纤为单模光纤或保偏光纤。

其中Alice端的工作原理

性能相近的第一、第二脉冲激光器均放置在Alice端，并用恒温箱和光谱仪监控第一、第二脉冲激光器的中心波长，使两者脉冲频谱稳定。时钟与时延发生器同时触发第一、第二脉冲激光器工作，并间隔一定时间后触发第二随机码发生器34、第二驱动电路36分别使得第二、第三偏振无关相位调制器16、17工作。第一、第二脉冲激光器功率要尽可能低，临界功率为脉冲光功率恰能引起Bob端雪崩光电二极管38响应以减少瑞利散射的影响；分别调节第一偏振控制器6、第二偏振控制器7分别使得第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2通过四端口偏振分束器14端口3和端口4的输出光强相同；使用第一、第二法拉第反射旋转镜21、22和不同长度的光纤产生4个偏振态相同、等间距的前后脉冲；第一偏振无关相位调制器15对脉冲进行相位随机化处理，第二偏振无关相位调制器16对脉冲垂直分量随机加载相位，第三偏振无关相位调制器17将脉冲垂直分量调制到某一频率上。

图6为输入四端口偏振分束器14的脉冲示意图，由Alice端原理分析可知，输入四端口偏振分束器14的脉冲为4个相同偏振态、等间距的前后脉冲。

Bob端的工作原理

参照图5两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置结构图，其中强度调制器20用于产生诱惑态，第四偏振无关相位调制器18对脉冲水平分量随机加载相位，第五偏振无关相位调制器19将脉冲水平分量调制到和Alice端第三偏振无关相位调制器17相同的频率上。由于脉冲水平分量和垂直分量到达雪崩光电二极管38的时间不同，控制好雪崩光电二极管38的探测时间，使其只对脉冲水平分量进行探测；同时，雪崩光电二极管38的探测间隔时间为ns量级，为产生与信号光同频率的触发信号，必须使前后脉冲的间隔时间大于雪崩光电二极管38的探测间隔时间，即Alice端光纤长度L尽可能大，临界长度为雪崩光电二极管38恰能区分每个脉冲。雪崩光电二极管38触发时钟恢复电路39工作，时钟恢复电路39触发强度调制器20、第一随机码发生器33、第一驱动电路35工作，第一随机码发生器33、第一驱动电路35分别驱动第四偏振无关相位调制器18、第五偏振无关相位调制器19工作，延迟环37为时钟恢复电路39、第一随机码发生器33、第一驱动电路35工作提供缓冲时间。

Charlie端的工作原理

参照图5两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置结构图，Charlie由第三分束器12、第三、第四法拉第反射旋转镜23、24，第一、第二单光子探测器31、32，第二偏振无关环形器29构成。第四偏振控制器9稳定入射到Charlie端信号光的偏振态，滤波器30滤除信号光中的瑞利散射光，第三、第四法拉第反射旋转镜23、24用于补偿信号光的偏振变化，到达Charlie端的前后脉冲在第三分束器12上发生双光子干涉示意图如图7所示。

第三、第五偏振无关相位调制器17、19频率调制原理

设未调制信号光为u_C＝U_Ccosω_ct,调制信号为单一频率信号u_Ω(t)＝U_ΩcosΩt，则调制信号光瞬时角频率为ω(t)＝ω_c+Δω(t)＝ω_c+k_fu_Ω＝ω_c+Δω_mcosΩt，其中k_f为比例常数。调频信号的瞬时相位是瞬时角频率ω(t)对时间的积分，即其中为信号光起始角频率。为便于分析，

设则其中为调频指数，所以调制信号光为

$\begin{array}{c}{u}_t=U_C\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+m_f\sin \mathrm{\Ωt})\\ =\mathrm{Re}\left[U_C{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{c}t}{e}^{{\mathrm{jm}}_f\sin \mathrm{\Ωt}}\right]={\mathrm{\Σ}}_{n=-\∞}^{\∞}{J}_n\left(m_f\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_c+\mathrm{n\Ω})t\end{array}$

从上式可以看出，在单频正弦波调制时，其调制后的信号光的频谱是由信号光与其两边对称分布的无穷多对边频分量组成，则用相位调制器可以将信号光调制到不同于信号光的频率上，以区分信号光与瑞利散射光。

编码方式

本发明采用相位调制偏振编码，用相位差调制脉冲偏振态。以4个脉冲为一组，Alice端第二偏振无关相位调制器16、Bob端第四偏振无关相位调制器18按照各自编码方式进行编码，如表1所示。定义编码有A₁基，加载相位0或π和A₂基，加载相位或

表1 第二偏振无关相位调制器16、第四偏振无关相位调制器18编码方式

按照编码方式，结合两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置工作原理，可获得编码图，如表2所示。

表2 两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置编码图

1、两节点测量设备无关量子密钥分发系统装置应用于量子密钥分发系统获得密钥的过程：

(1)Alice端第二偏振无关相位调制器16只对脉冲垂直分量随机加载0、v₀、(v₀为相位调制器半波电压)的电压，Bob端第四偏振无关相位调制器18只对脉冲水平分量随机加载0、v₀、的电压，调制脉冲偏振态由水平分量和垂直分量的相位差决定，由此随机产生满足BB84协议的四种偏振态：45°线偏振、135°线偏振、左旋圆偏振和右旋圆偏振。

(2)前后脉冲在测量装置Charlie分束器上发生干涉产生贝尔态响应。Charlie记录测量结果并将测量结果通过公共信道分别传输给Alice和Bob。Alice和Bob均保留产生贝尔态响应时刻对应的编码信息作为筛选码。对基时，Alice通过公共信道将基信息告诉Bob，Bob根据Alice基信息、自身基信息、贝尔态响应时刻三方面内容取舍和翻转自身编码，产生与Alice相同的初始密钥。Bob翻转规则：若Alice与Bob选用相同基(均为A₁基或A₂基)且为T₁₂、T₃₄时刻产生贝尔态响应，则Bob翻转前一位编码；若Alice与Bob选用相同基(均为A₁基或A₂基)且为T₂₃时刻产生贝尔态响应，则Bob翻转后一位编码；若Alice与Bob选用不同基(分别为A₁基、A₂基)，则无论什么时刻产生贝尔态响应，Bob都翻转前后两位编码。例如，Alice编码一组0000、Bob编码一组1010，Alice通过公共信道告诉Bob编码为A₁基，Charlie通过公共信道分别告诉Alice、Bob测量结果，则Alice与Bob选用相同基，若T₁₂或T₃₄时刻产生贝尔态响应，Alice获得密钥00，Bob翻转前一位编码(10变00)获得密钥00；同理，若T₂₃时刻产生贝尔态响应，Alice获得密钥00，Bob翻转后一位编码(01变00)获得密钥00。

(3)获得初始密钥后，再进行采样误码窃听检测以及密钥后处理，最终形成安全密码本用作保密通信。

2、贝尔态响应特点：前后脉冲在第三分束器12处发生干涉，若偏振态相同(相位差相同)则不产生贝尔态响应，若偏振态不同(相位差不同)则有的概率产生贝尔态响应形成密钥。与三节点测量设备无关量子密钥分发系统一次贝尔态响应产生一比特密钥不同，两节点测量设备无关量子密钥分发系统一次贝尔态响应产生两比特密钥。

综上所述，本发明与三节点测量设备无关量子密钥分发系统相比具有以下显著优势：

(1)用法拉第反射镜对往返于Alice和Bob之间的脉冲实现偏振自补偿，不需要补偿偏振变化；

(2)采用相位调制偏振编码，消除初始相位影响，不需要校准相位参考系；

(3)前后脉冲经历相同环境、相同路径，相位漂移相同，实现相位漂移自补偿，不需要补偿相位漂移；

(4)前后脉冲经历相同环境、相同路径，时间抖动相同，脉冲间隔固定，消除了时间抖动的影响，容易实现时间同步；

(5)系统具有自补偿功能，结构简单，成本低廉。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，将两个独立激光器和测量装置Charlie都放置在同一个节点上，即将两个独立激光器和测量装置Charlie均放置在Alice端或Bob端，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统。

2.根据权利要求1所述的两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，两节点测量设备无关量子密钥分发系统包括Alice、Bob、Charlie三部分，其中Alice主要产生相同偏振态的前后脉冲并对脉冲的某一分量进行相位随机编码、频率调制；Bob主要对脉冲的另一分量进行相位随机编码、频率调制；Charlie主要使前后脉冲发生干涉，记录测量结果并将测量结果通过公共信道分别传输给Alice和Bob。

3.根据权利要求2所述的两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述两节点测量设备无关量子密钥分发系统采用相位调制偏振编码，Alice端相位调制器对脉冲一个分量随机加载相位，Bob端相位调制器对脉冲另一个分量随机加载相位，其中脉冲分量包括水平分量和垂直分量；用水平分量和垂直分量的相位差调制不同偏振态信号光以实现编码。

4.根据权利要求3所述的两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，相位调制器对脉冲分量随机加载0、v₀、的电压，v₀为相位调制器半波电压。

5.根据权利要求1至4任一项所述的两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，

Alice端包括第一脉冲激光器(1)、第二脉冲激光器(2)、时钟与时延发生器(3)、第一光隔离器(4)、第二光隔离器(5)、第一偏振控制器(6)、第二偏振控制器(7)、第三偏振控制器(8)、第四偏振控制器(9)、第一分束器(10)、第二分束器(11)、四端口偏振分束器(14)、第一偏振无关相位调制器(15)、第二偏振无关相位调制器(16)、第三偏振无关相位调制器(17)、第一法拉第反射旋转镜(21)、第二法拉第反射旋转镜(22)、第五法拉第反射旋转镜(25)、第六法拉第反射旋转镜(26)、第一偏振无关环形器(28)、滤波器(30)、第二随机码发生器(34)和第二驱动电路(36)；

第一脉冲激光器(1)、第二脉冲激光器(2)分别通过第一光隔离器(4)、第一偏振控制器(6)，第二光隔离器(5)、第二偏振控制器(7)接入第一分束器(10)的端口1、2，第一分束器(10)的端口3与第二分束器(11)的端口1连接，第二分束器(11)的端口2通过第一偏振无关相位调制器(15)与第一偏振无关环形器(28)端口1连接，第二分束器(11)的端口3接第一法拉第反射旋转镜(21)，第二分束器(11)的端口4接第二法拉第反射旋转镜(22)，第一偏振无关环形器(28)端口2通过第三偏振控制器(8)接四端口偏振分束器(14)的端口1，四端口偏振分束器(14)的端口4接第五法拉第反射旋转镜(25)，四端口偏振分束器(14)的端口3通过长程光纤(40)接Bob端，第一偏振无关环形器(28)端口3通过第四偏振控制器(9)接过滤器(30)，过滤器(30)接Charlie端；四端口偏振分束器(14)的端口2通过串接的第二偏振无关相位调制器(16)、第三偏振无关相位调制器(17)接第六法拉第反射旋转镜(26)；时钟与时延发生器(3)分时驱动第一脉冲激光器(1)、第二脉冲激光器(2)、第二随机码发生器(34)和第二驱动电路(36)工作，第二随机码发生器(34)和第二驱动电路(36)分别驱动第二偏振无关相位调制器(16)、第三偏振无关相位调制器(17)工作；

Bob端包括第四分束器(13)、第四偏振无关相位调制器(18)、第五偏振无关相位调制器(19)、强度调制器(20)、第七法拉第反射旋转镜(27)、第一随机码发生器(33)、第一驱动电路(35)、延迟环(37)、雪崩光电二极管(38)和时钟恢复电路(39)；

第四分束器(13)的端口1通过长程光纤(40)接四端口偏振分束器(14)的端口3，第四分束器(13)的端口3通过延迟环(37)接强度调制器(20)，强度调制器(20)通过串接的第四偏振无关相位调制器(18)、第五偏振无关相位调制器(19)接第七法拉第反射旋转镜(27)，第四分束器(13)的端口4接雪崩光电二极管(38)；雪崩光电二极管(38)接时钟恢复电路(39)的输入端，时钟恢复电路(39)的输出端分别接强度调制器(20)、第一随机码发生器(33)和第一驱动电路(35)；第一随机码发生器(33)和第一驱动电路(35)分别驱动第四偏振无关相位调制器(18)和第五偏振无关相位调制器(19)工作；

Charlie端包括第三分束器(12)、第三法拉第反射旋转镜(23)、第四法拉第反射旋转镜(24)、第二偏振无关环形器(29)、第一单光子探测器(31)、第二单光子探测器(32)；第二偏振无关环形器(29)的端口1接过滤器(30)，第二偏振无关环形器(29)的端口2接第三分束器(12)的端口1，第三分束器(12)的端口3接第三法拉第反射旋转镜(23)，第三分束器(12)的端口4接第四法拉第反射旋转镜(24)，第三分束器(12)的端口2接第一单光子探测器(31)，第二偏振无关环形器(29)的端口3接第二单光子探测器(32)；

上述第一分束器(10)、第二分束器(11)、第三分束器(12)、第四分束器(13)均为分光比50﹕50的四端口分束器；上述各器件的连接光纤为单模光纤或保偏光纤。

6.根据权利要求5所述的两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，第一脉冲激光器(1)通过第一光隔离器(4)、第一偏振控制器(6)、长度为S的光纤与第一分束器(10)的端口1连接，第二脉冲激光器(2)通过第二光隔离器(5)、第二偏振控制器(7)、长度为S+L的光纤与第一分束器(10)的端口2连接，第一法拉第反射旋转镜(21)通过长度为L的光纤与第二分束器(11)的端口3连接，第二法拉第反射旋转镜(22)通过长度为3L的光纤与第二分束器(11)的端口4连接，并调节第一偏振控制器(6)、第二偏振控制器(7)分别使得第一脉冲激光器(1)、第二脉冲激光器(2)通过四端口偏振分束器(14)端口3和端口4的输出光强相同，从而产生4个偏振态相同、等间距的前后脉冲。

7.根据权利要求6所述的两节点测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，利用独立激光器、光隔离器、法拉第反射旋转镜、偏振控制器和不同长度的光纤产生相同偏振态的前后脉冲，Alice端第二偏振无关相位调制器(16)对前后脉冲一个分量随机加载0、v₀、的电压，Bob端第四偏振无关相位调制器(18)对前后脉冲另一分量随机加载0、v₀、的电压，调制脉冲偏振态由水平分量和垂直分量的相位差决定，能够随机产生满足BB84协议的四种偏振态：45°线偏振、135°线偏振、左旋圆偏振和右旋圆偏振；前后脉冲在Charlie端第三分束器(12)上干涉产生贝尔态响应；Charlie记录测量结果并将测量结果通过公共信道分别传输给Alice和Bob，Alice和Bob均保留产生贝尔态响应时刻对应的编码信息作为筛选码；对基时，Alice通过公共信道将基信息告诉Bob，Bob根据Alice基信息、自身基信息、贝尔态响应时刻三方面内容取舍和翻转自身编码，产生与Alice相同的初始密钥，之后进行采样误码窃听检测以及密钥后处理，最终形成安全密码本用作保密通信。